一种非制冷红外3D MEMS系统结构及其制作方法技术方案

本发明专利技术涉及一种非制冷红外3D MEMS系统结构及其制作方法，涉及非制冷红外3D MEMS结构领域。目的在于采用新的MEMS结构后，解决了传统结构受像元尺寸的缩小无法解决器件平坦化的问题，以及解决了多层工艺导致金属互联困难的问题，并解决了器件像元缩小后，尽可能维持氧化钒的面积并减少了桥腿的热导，确保器件性能不降低的问题，并采用蜂窝状结构，增加了红外吸收因子。介质层中部设有凹槽，反射层位于介质层中部凹槽的上表面，反射层的上方依次为第一层牺牲层和第二层牺牲层，且所述第一层牺牲层位于介质层中部凹槽中。把第一层牺牲层结构埋在电路的介质中进行制作，有利于后面小尺寸线宽和小像元的制作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及非制冷红外3D MEMS结构领域。
技术介绍
非制冷红外探测器(uncooled infrared bolometer)除了在军事领域的应用外，在民用领域已经得到了广泛的应用，如消防、汽车辅助、森林防火、野外探测、环境保护等领域。随着应用领域的广泛推广，无论是在军事还是民用领域，对成像质量要求越来越高，要求像元的分辨率也越高，必然要求提高器件的像素密度和性能。提高像素密度和分辨率，需遵循摩尔定律去压缩像素的单元面积，而压缩像素的单元面积，会压缩热导及热敏薄膜(氧化钒和非晶硅)的面积和体积，二者出现了相互的矛盾。所以非制冷红外探测器的技术节点从50μm、35μm、25μm、17μm、12μm、8μm、5μm的路线图开发推进。目前的主流技术和器件尺寸主要集中在25μm、17μm和12μm。但在25μm以后，开始采用了双层结构技术：一方面去压缩单元尺寸，另一方面尽可能保持一定桥腿的长度去维持低的热导和保持热敏薄膜的体积和面积，从而维持低的噪声等效温差(NETD：noise equivalent temperature difference)。但传统的双层结构，一般都采用典型的牺牲层(如Polyimide)技术，而在ROIC(Read-out integrated circuit)上涂覆聚酰亚胺(Polyimide)，蚀刻桥墩结构和布线后，会出现竹节结构，桥墩(锚点)中间出现空洞化，导致第二层结构不平坦并占用有限的像元面积；且必然会牺牲热敏薄膜的面积，在12μm节点及以后节点工艺中，会出现技术节点升级的困难；而采用二氧化硅作为牺牲层，一般只是用在非晶硅作为非制冷红外探测器的技术上。但就目前市场的应用反馈情况来看，采用非晶硅非制冷红外探测器的主要性能NETD，明显比采用使用氧化钒同工艺节点的非制冷红外探测器性能要差。制造双层结构甚至三层结构，会出现锚点制作的困难，在传统的工艺蚀刻过程中，很难做到零0E量的超高选择比；同样，双层结构或三层结构中，因为金属电极要穿越上下层结构，显然超薄的金属电极对多层结构之间的布线连接比单层结构金属电极布线连接要困难及复杂得多。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种非制冷红外3D MEMS系统结构及其制作方法，目的在于采用新的MEMS结构后，解决了传统结构受像元尺寸的缩小无法解决器件平坦化的问题，以及解决多层工艺导致金属互联困难的问题，并解决了器件像元缩小后，尽可能维持氧化钒的面积并减少桥腿热导，确保器件性能不降低的问题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种非制冷红外3D MEMS系统结构包括介质层、反射层、第一层牺牲层和第二层牺牲层，所述介质层中部设有凹槽，反射层位于介质层中部凹槽的上表面，反射层的上方依次为第一层牺牲层和第二层牺牲层，且所述第一层牺牲层位于介质层中部凹槽中；所述介质层用于为非制冷红外3D MEMS系统结构提供衬底；所述反射层用于实现非制冷红外3D MEMS系统的红外反射功能；所述第一层牺牲层和第二层牺牲层用于承载附加功能结构，结构制作完成后，进行释放。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过将第一层牺牲层巧妙的和电路进行了结构的整合，并且把第一层牺牲层结构埋在电路的介质中进行制作，解决了探测器凹凸不平的问题，有利于后面小尺寸线宽和小像元的制作。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：进一步，所述介质层上沉积一层SiO2薄膜，且在所述SiO2薄膜顶部开窗口，用于作为电路与探测器连接的接口。进一步，所述第一层牺牲层为采用化学气相沉积的工艺的方法获得非晶碳薄膜，所述第一层牺牲层的厚度高于窗口台阶的高度，然后采用CMP的方式进行研磨，最后和介质层非窗口区域的上表面平齐；第一层牺牲层内部设有第一层锚点通孔，第一层锚点通孔内溅射有钛/氮化钛并采用化学气相沉积钨，组成钨塞，所述钨塞的上表面与介质层上表面平齐，所述钨塞的上表面设有一层伞盖金属；第一层牺牲层的顶部沉积低应力氮化硅桥面底层薄膜，所述氮化硅桥面底层薄膜上设有与钨塞相对应的第一层通孔，所述伞盖金属位于该第一层通孔中，且第一层通孔的上表面与伞盖金属的上表面平齐，在伞盖金属顶部设有桥金属薄膜，桥金属薄膜上方沉积低应力氮化硅桥面顶层薄膜，且所述低应力氮化硅桥面顶层薄膜与低应力氮化硅桥面底层薄膜相接触，所述低应力氮化硅桥面底层薄膜、桥金属薄膜和低应力氮化硅桥面顶层薄膜形成三明治结构；所述三明治结构中设有ARM桥腿和与第二层牺牲层连接的锚点盘。采用上述进一步方案的有益效果是：通过在第一层牺牲层上设置实心金属低阻小桥墩，能够大幅度的压缩桥墩的面积而不影响其结构的稳定和电学性能。采用非晶碳作为第一层牺牲层克服了Polyimide难以进行CMP的技术问题；而在第一层牺牲层上方设置三明治结构，该结构类似大桥的桥墩结构，更有利于桥面的结构稳定，并利于氧化钒和ASIC电路的电学接触，有利于减少接触电阻，增强器件的结构稳定和改善电学性能。进一步，所述第二层牺牲层采用涂覆和亚胺化获得聚酰亚胺薄膜实现，所述第二层牺牲层涂覆在第一层牺牲层上方，且填充在ARM桥腿周围；第二层牺牲层上设有第二层锚点通孔，所述第二层锚点通孔与锚点盘中的桥金属薄膜连通，第二层锚点通孔的侧壁上填充有钛/铝金属；在第二层牺牲层的上方依次沉积低应力氮化硅桥面底层薄膜和氧化钒薄膜，在对氧化钒薄膜进行退火和图形化处理后，在氧化钒薄膜上方沉积低应力氮化硅微桥面顶层薄膜，所述低应力氮化硅微桥面顶层薄膜上设有接触孔，所述接触孔与氧化钒薄膜连通；将第二层锚点通孔中钛/铝金属上方的所有薄膜填充物进行蚀刻形成第二层通孔，在第二层通孔与接触孔中沉积钛/氮化钛金属并进行电极图形化处理后沉积一层氮化硅薄膜；在氮化硅薄膜上方进行PI涂覆和聚酰亚胺化并进行图形化处理形成图形化顶层薄膜，并在图形化顶层薄膜上方沉积复合膜，在复合层上方开设释放窗口，并对整体结构进行释放。采用上述进一步方案的有益效果是：第二层牺牲层的平坦化有利于氧化钒薄膜电阻更加均匀，改善了单元电阻的均匀性，从而提高了器件的性能，并消除了光刻涂胶因表面不平导致的放射状现象，从而从根本上消除了器件的成像条纹异常，而不需要进行软件的算法矫正。在氧化钒图形化时，只对锚点位置的氧化钒进行蚀刻和图形化，这样最大程度的增加了氧化钒的面积和体积，可提高产品性能，降低其NETD。同时，制作了上下层接触的楔形结构，变相的增加了第二层通孔的接触面积，有利于降低接触电阻，并增强器件的结构，提高其可靠性。进一步，所述非制冷红外3D MEMS系统结构顶部设有蜂窝状的吸收结构。采用上述进一步方案的有益效果是：有利于增加器件的吸收因子，提高红外的吸收率。一种非制冷红外3D MEMS系统结构的制作方法包括：S1、对反射层和探测器进行传感器工艺接口处理；S2、制作平坦化的第一层牺牲层及承载在第一层牺牲层的附加结构；S3、制作第二层牺牲层及顶层结构；S4、制作蜂窝状吸收结构，并对整体结构进行释放。本专利技术通过将第一层牺牲层巧妙的和电路进行了结构的整合，并且把第一层牺牲层结构埋在电路的介质中进行制作，解决了探测器凹凸不平的问题，有利于后面小尺寸线宽和小像元的制作。在工艺制作过程中，本专利技术将传统的三层结构作为二层结构进行制作，实际释放后为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非制冷红外3D MEMS系统结构，其特征在于，它包括介质层(2)、反射层(1)、第一层牺牲层(4)和第二层牺牲层(14)，所述介质层(2)中部设有凹槽，反射层(1)位于介质层(2)中部凹槽的上表面，反射层(1)的上方依次为第一层牺牲层(4)和第二层牺牲层(14)，且所述第一层牺牲层(4)位于介质层(2)中部凹槽中；所述介质层(2)用于为非制冷红外3D MEMS系统结构提供衬底；所述反射层(1)用于实现非制冷红外3D MEMS系统的红外反射功能；所述第一层牺牲层(4)和第二层牺牲层(14)用于承载附加功能结构，结构制作完成后，进行释放。

【技术特征摘要】
1.一种非制冷红外3D MEMS系统结构，其特征在于，它包括介质层(2)、反射层(1)、第一层牺牲层(4)和第二层牺牲层(14)，所述介质层(2)中部设有凹槽，反射层(1)位于介质层(2)中部凹槽的上表面，反射层(1)的上方依次为第一层牺牲层(4)和第二层牺牲层(14)，且所述第一层牺牲层(4)位于介质层(2)中部凹槽中；所述介质层(2)用于为非制冷红外3D MEMS系统结构提供衬底；所述反射层(1)用于实现非制冷红外3D MEMS系统的红外反射功能；所述第一层牺牲层(4)和第二层牺牲层(14)用于承载附加功能结构，结构制作完成后，进行释放。2.根据权利要求1所述的一种非制冷红外3D MEMS系统结构，其特征在于，所述介质层(2)内沉积有SiO2薄膜，且在所述SiO2薄膜顶部开有窗口(3)，用于作为电路与探测器连接的接口。3.根据权利要求2所述的一种非制冷红外3D MEMS系统结构，其特征在于，第一层牺牲层(4)采用化学气相沉积工艺的方法沉积非晶碳薄膜实现，所述第一层牺牲层(4)的沉积厚度高于窗口(3)台阶的高度且通过CMP工艺平坦化处理后与介质层(2)的上表面平齐；第一层牺牲层(4)内部设有第一层锚点通孔(5)，第一层锚点通孔(5)内溅射有钛/氮化钛并采用化学气相沉积钨，制作钨塞(7)，所述钨塞(7)的上表面与介质层(2)上表面平齐，所述钨塞(7)的上表面设有一层伞盖金属(8)；第一层牺牲层(4)的顶部沉积低应力氮化硅桥面底层薄膜(9)，所述氮化硅桥面底层薄膜上设有与钨塞(7)相对应的第一层通孔，所述伞盖金属(8)位于该第一层通孔中，且第一层通孔的上表面与伞盖金属(8)的上表面平齐，在伞盖金属(8)顶部设有桥金属薄膜(10)，桥金属薄膜(10)上方沉积低应力氮化硅桥面顶层薄膜(11)，且所述低应力氮化硅桥面顶层薄膜(11)与低应力氮化硅桥面底层薄膜(9)相接触，所述低应力氮化硅桥面底层薄膜(9)、桥金属薄膜(10)和低应力氮化硅桥面顶层薄膜(11)形成三明治结构；所述三明治结构中设有ARM桥腿(12)和与第二层牺牲层(14)连接的锚点盘(13)。4.根据权利要求3所述的一种非制冷红外3D MEMS系统结构，其特征在于，第二层牺牲层(14)采用涂覆和亚胺化获得聚酰亚胺薄膜实现，所述第二层牺牲层(14)涂覆在第一层牺牲层(4)上方，且填充在ARM桥腿(12)周围；第二层牺牲层(14)上设有第二层锚点通孔(15)，所述第二层锚点通孔(15)与锚点盘(13)中的桥金属薄膜(10)连通，第二层锚点通孔(15)的侧壁上填充有钛/铝金属(16)；在第二层牺牲层(14)的上方依次沉积低应力氧化硅微桥面底层薄膜(17)和氧化钒薄膜(18)，在对氧化钒薄膜(18)进行退火和氧化钒层次图形化处理后，在氧化钒薄膜(18)上方沉积低应力氮化硅微桥面顶层薄膜(19)，所述低应力氮化硅微桥面顶层薄膜(19)上设有接触孔(21)，所述接触孔(21)与氧化钒薄膜(18)连通；将第二层锚点通孔(15)中钛/铝金属(16)上方的所有薄膜填充物进行蚀刻形成第二层通孔(20)，在第二层通孔(20)与接触孔(21)中沉积钛/铝金属(22)并进行电极图形化处理后沉积一层氮化硅薄膜(23)；在氮化硅薄膜(23)上方进行PI涂覆和聚酰亚胺化并进行图形化处理形成图形化顶层薄膜(25)，并在图形化顶层薄膜(25)上方沉积复合膜(26)，在复合层上方开设释放窗口(27)，并对整体结构进行释放。5.根据权利要求4所述的一种非制冷红外3D MEMS系统结构，其特征在于，所述非制冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘先锋，杨水长，王宏臣，王鹏，孙瑞山，陈文礼，
申请(专利权)人：烟台睿创微纳技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37